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R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH • D-71111 Waldenbuch • Phone [phone]* • Fax [phone]* • www.r-g.de
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Thermische Eigenschaften
Geringe Wärmeausdehnung
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Sehr niedriger thermischer Ausdehnungkoeffizient, der CFK eine hohe Maß-
stabilität verleiht.
Kohlenstoffasern sind unbrennbar. Sie sind unter Sauerstoffabschluß stabil
bis 3000 °C, mit Sauerstoff erfolgt ab ca 400 °C eine Oxidation, die zu Festig-
keitsverlusten führt.
Elektromagnetische Eigenschaften
Geringe Röntgenstrahlenabsorption
Nicht magnetisch
Elektrische Eigenschaften
Gute elektrische Leitfähigkeit
Werkstoffvergleich
Eine Tabelle mit den Festigkeiten gebräuchlicher Werkstoffe finden Sie auf
Seite 8.29.
Bei Leichtbauteilen entscheidet eine mit herkömmlichen Werkstoffen
vergleichbare Festigkeit bei geringerem Gewicht über die Verwendung.
Bei gleichem Gewicht hat CFK die fünffache Zugfestigkeit und Steifigkeit von
Stahl. 1 kg CFK kann 5 kg Stahl ersetzen.
Herstellung
C-Fasern bestehen zu über 95 % aus reinem Kohlenstoff.
Elementarer, reiner Kohlenstoff, kommt in der Natur in Form von Graphit oder
Diamant vor, ist unlöslich und unschmelzbar und scheidet daher als Rohstoff
zur Kohlefaserproduktion aus.
Kohlenstoffasern entstehen durch Pyrolyse (Verkokung) nicht schmelzbarer
Kohlenstoff-Polymerfäden. Das technisch bedeutsamste Verfahren ist das
Verkoken von Polyacrylnitril. Die Ausgangsfäden (Precursor genannt) enthalten
eine durchgehende Kohlenstoffkette (-C-C-C-C-C-C-).
Nach dem Spinnen der PAN-Faser werden die verknäuelten Polymerketten
durch Verstrecken zur Faserrichtung ausgerichtet.
Die Umwandlung zur Kohlenstoffaser erfolgt in drei Stufen:
Die Voroxidation findet in O
2
-haltiger Atmosphäre bei 200 - 300 °C statt,
wobei die Faser unter Vorspannung gehalten wird;
Die Pyrolyse (Carbonisierung) erfolgt bei 800 - 1500 °C unter Inertgas-
atmosphäre;
Anschließend ist noch eine Hochtemperaturbehandlung bei 2000
- 3000 °C möglich.
Temperaturhöhe und Vorspannung bestimmen die Eigenschaften, da hiervon
ein maßgeblicher Einfluß auf den Orientierungsgrad der C-Ketten ausgeht.
Thermal properties
Low thermal expansion
Low thermal conductivity
As a result of its very low coefficient of thermal expansion, CRP exhibits a
high dimensional stability.
Carbon fibres are incombustible. With the exclusion of oxygen they are stable
at temperatures up to 3000 °C; on exposure to oxygen they suffer losses in
strength from approx. 400 °C owing to the effects of oxidation.
Electromagnetic properties
Low X-ray absorption
Non-magnetic
Electrical properties
Good conductivity
Materials compared
A table listing the strength values of the conventional materials can be
found on page 8.29.
The decisive factor affecting the use of these materials in lightweight
components is the lower weight exhibiting a strength comparable to the
conventional materials. The same weight of CRP has five times the tensile
strength and rigidity of steel: 1 kg of CRP can replace 5 kg of steel.
Manufacture
Ninety-five per cent of carbon fibres is made up of pure carbon.
Elementary, pure carbon is found in nature in the form of graphite or diamond,
is insoluble and infusible, and is therefore unsuitable as a raw material for the
production of carbon fibres.
Carbon fibres are the result when infusible carbon polymer fibres pyrolyse
(carbonise). The most important method used for this technology involves
the carbonisation of polyacrylonitrile. The initial, or precursor fibres contain
a long unbroken chain of carbon atoms (-C-C-C-C-C-C-).
After the PAN fibres have been spun, the coils of polymer chains are drawn
to align them in the direction of the fibres.
The conversion to carbon fibres takes place over three stages:
The fibres are kept under tension and pre-oxidised at 200 - 300 °C in an
atmosphere containing O
2
.
The fibres are then pyrolysed (carbonised) at 800 -1500 °C in an inert
gas atmosphere.
The third and final stage involves an optional high-temperature treatment
at 2000 - 3000 °C.
The temperature level and the initial tension exercise a decisive effect on
the carbon chains’ degree of orientation and therefore the end product’s
final properties.
KOHLENSTOFFASERN (CARBON) HERSTELLUNG UND EIGENSCHAFTEN
CARBON FIBRES MANUFACTURE AND PROPERTIES